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L’energia di questi legami nucleari è un milione di volte superiore a quella dei legami fra gli
atomi, e quindi anche l’energia liberata dalla loro rottura (detta energia di fissione) è un milione di volte superiore a quella dovuta alla rottura degli atomi delle molecole.
Basti pensare che l’energia che si ricava dalla fissione di 1 grammo di uranio è pari a quella che si ottiene dalla combustione di due tonnellate di petrolio.
Se considerassimo la storia della società dal punto di vista energetico vedremmo che il suo
sviluppo è andato di pari passo con la scoperta di nuove fonti energetiche e con lo sviluppo
delle tecnologie adatte al loro sfruttamento.
In altre parole l’uomo, nel corso della storia, ha fatto tante conquiste, ma tutte derivano da
una conquista fondamentale: quella dell’energia.
11.1 Dalla scoperta del fuoco all’invenzione della ruota
Fin dall’antichità l’uomo ha scoperto che per sopravvivere doveva innanzitutto riscaldarsi
e nutrirsi.
All’inizio per riscaldarsi poteva soltanto sfruttare il calore del sole e coprirsi con le pelli degli
animali; per mangiare poteva soltanto cibarsi di frutti selvatici, tuberi, radici e animali morti.
Le sue condizioni di vita migliorarono notevolmente con la scoperta del fuoco. Una leggenda narra che il fuoco venne conosciuto dall’uomo dopo che un fulmine aveva colpito un albero incendiandolo; egli successivamente scoprì che il fuoco si poteva generare sfregando
tra di loro due pietre, dette pietre focaie, oppure facendo roteare molto velocemente un bastoncino di legno tra le mani. In questo modo si producevano delle scintille che potevano
incendiare arbusti e foglie creando così un piccolo focolare.
Il legno rappresenta quindi la prima fonte di energia scoperta dall’uomo.
Il fuoco aprì la strada a nuove straordinarie scoperte che migliorarono notevolmente la vita
dell’uomo. Egli poteva finalmente scaldarsi nella sua capanna e cuocere il cibo che cacciava.
Nel tardo Paleolitico, a causa di un aumento costante della popolazione, il cibo cominciò a
scarseggiare e quindi l’uomo comprese che per sopravvivere doveva addomesticare il bestiame e curare i prodotti della terra: nascevano così l’agricoltura e l’allevamento che, dal
punto di vista energetico, possono essere interpretati come due modi diversi per accumulare energia solare sulla terra.
Successivamente l’uomo fece un’altra scoperta fondamentale per il suo sviluppo: la ruota, che gli
consentì di trasportare carichi pesanti per distanze anche molto grandi. Da questa invenzione discendono quasi tutte le macchine semplici che utilizziamo ancora ai nostri giorni: le carrucole, gli
argani, i verricelli, i torni, le ruote idrauliche dei mulini ad acqua e vari tipi di ingranaggi.
Si iniziarono a costruire abitazioni, a macinare il grano, a plasmare l’argilla per creare vasi,
piatti e altri oggetti di uso domestico.
11.2 Lo sfruttamento dell’energia del vento e dell’acqua
L’uomo iniziò poi a sfruttare l’energia del vento per navigare a vela (quarto-terzo millennio a.C.) e in questo modo si crearono dei contatti fra popolazioni anche molto distanti e si
colonizzarono nuove terre.
Per moltissimi anni la principale fonte di energia fu comunque rappresentata dal lavoro
umano e, in particolare, dal lavoro degli schiavi. Essi vennero utilizzati sia per costruire monumenti ed edifici spettacolari, sia come rematori nelle imbarcazioni.
Il sistema schiavista andò in crisi nel Medioevo in quanto la diminuzione della natalità fece
aumentare considerevolmente il prezzo degli schiavi. Vennero quindi realizzate delle nuo-
Capitolo 1
L’energia, le sue trasformazioni e la sua conquista
11. L’uomo e la conquista dell’energia
251
ve macchine per sfruttare l’energia dell’acqua (mulini e argani ad acqua), del vento (mulini
a vento e velieri) e degli animali.
Parte I: Fondamenti delle discipline di insegnamento
Libro IX: Energia e applicazioni
11.3 Dal combustibile fossile alla macchina a vapore
252
Il Rinascimento vide la trasformazione delle vecchie botteghe artigiane in piccole industrie; la domanda energetica iniziò a crescere considerevolmente e si dovettero trovare delle soluzioni per ricavare l’energia sufficiente a non mandare in crisi il sistema economico.
Vennero creati ingranaggi sempre più sofisticati per migliorare la resa energetica delle ruote ad acqua in modo da aumentare l’energia meccanica prodotta.
Oltre all’energia meccanica crebbe anche la richiesta di energia termica, che si ricavava essenzialmente dalla legna e dal carbone. Ma il legno veniva anche utilizzato per costruire le abitazioni e i consumi sempre crescenti non consentivano il rinnovamento delle risorse boschive.
Fortunatamente Marco Polo nel 1275 aveva importato dalla Cina l’idea di utilizzare il carbon fossile come combustibile. Inizialmente l’utilizzo del carbon fossile come risorsa energetica non aveva trovato larghi consensi: dalla sua combustione derivava infatti un fumo
densissimo e maleodorante, e per molto tempo venne utilizzato in Europa solo in minime
quantità.
Nel 1603 dalla combustione in assenza di aria dei litantraci (carboni fossili molto antichi)
venne ricavato il carbon coke, un combustibile molto più efficace.
Il fabbisogno di combustibile cresceva di anno in anno, e per soddisfare le richieste di mercato era necessario scavare sempre più in profondità.
Spesso le miniere erano invase dall’acqua, il che impediva l’estrazione del carbon fossile;
per evitare che ciò avvenisse venne creata nel 1705 da Thomas Newcomen, un ingegnere
minerario inglese, la prima pompa idraulica funzionante a vapore azionata dalla combustione del carbone stesso.
Successivamente e con i dovuti miglioramenti James Watt costruì la prima macchina a vapore, la quale venne montata nel 1807 su una nave e nel 1825 su una locomotiva.
Anche se il rendimento di questa macchina era molto basso (per rendimento si intende il
rapporto tra l’energia fornita da una macchina e il lavoro speso per farla funzionare), la macchina a vapore sostituiva il lavoro di 500 uomini.
Il vapore deriva dalla combustione del carbone, e quindi la diffusione delle macchine a vapore ne causò un aumento della richiesta. L’Inghilterra, grazie ai suoi giacimenti di carbone, diventò il fulcro dello sviluppo europeo e, possedendo una rete di trasporti all’avanguardia per
quell’epoca, riuscì ad esportare il suo carbone in tutta Europa. Questo è il motivo principale
per cui è proprio in Inghilterra che ebbe inizio la Rivoluzione Industriale, che avrebbe poi
comportato delle modifiche radicali nei sistemi economici e sociali di tutta Europa.
11.4 Dal motore a scoppio all’elettricità
Ma la storia dell’energia non si ferma qui. Nel 1876 l’invenzione del motore a scoppio (ad
opera del tedesco Nikolaus Otto) portò all’uso del petrolio, un combustile più facile da trasportare e con un potere calorifico maggiore del carbone (il potere calorifico è la quantità
di calore prodotta da 1 Kg di combustibile quando brucia completamente). Il petrolio diventò quindi una nuova risorsa energetica e questo modificò nuovamente gli equilibri politicienergetici del mondo.
L’avvento dell’elettricità è stato un altro fatto «rivoluzionario» per la vita dell’uomo. Con l’invenzione della dinamo si riuscì a trasformare energia meccanica in energia elettrica; in questo modo fu possibile illuminare strade ed edifici e venne inventato il motore elettrico.
La sostituzione della corrente continua con la corrente alternata e l’invenzione del trasformatore consentirono successivamente il trasporto dell’elettricità su lunghe distanze.
Verso la fine del 1800 iniziarono a svilupparsi delle ricerche sullo strano comportamento
di alcuni minerali come la pechblenda, i quali emettevano una strana luce del tutto invisibile all’occhio umano ma che era in grado di annerire una lastra fotografica. I fisici Pietro e
Marie Curie scoprirono che queste radiazioni erano dovute a un elemento ancora sconosciuto contenuto nello stesso minerale. Dopo quattro anni di studi riuscirono ad isolare questo elemento e lo chiamarono radio. Veniva così scoperta la radioattività.
Albert Einstein nel 1905 formulò il principio di equivalenza energia-massa (la celebre formula E = mc2) e alcuni anni dopo si riuscì a riprodurre in laboratorio la prima fissione nucleare.
Nel dicembre del 1942 Enrico Fermi, un fisico italiano emigrato negli Stati Uniti in seguito
alle leggi razziali, realizzò il primo reattore nucleare dimostrando così che era possibile
sfruttare l’enorme energia racchiusa nei nuclei dell’uranio.
Il 16 luglio 1945 venne fatta esplodere la prima bomba atomica nel deserto del Nevada e un
mese dopo (il 6 e il 15 agosto) vennero lanciate due bombe atomiche sulle città di Hiroshima e Nagasaki ponendo fine alla seconda guerra mondiale.
Le conseguenze furono devastanti e la bomba atomica iniziò subito a rappresentare un’arma politica nel delicatissimo equilibrio tra le due superpotenze che si erano formate alla
fine del conflitto: l’Unione Sovietica e gli Stati Uniti, le quali iniziarono a darsi battaglia senza sferrare un solo colpo ma aumentando il proprio arsenale nucleare. È il periodo della
guerra fredda.
11.6 La «guerra del petrolio»
La guerra fredda si è combattuta in silenzio insieme ad un’altra guerra che invece
è tuttora sotto gli occhi di tutti: quella del
petrolio. Dopo la seconda guerra mondiale le esigenze energetiche aumentarono
vorticosamente e, allora come oggi, «energia» significava «petrolio» e quindi l’economia mondiale si è sbilanciata in questa
direzione.
Le riserve attualmente note di petrolio
sono concentrate in poche aree della Terra, soprattutto nel Medio Oriente e quindi
in Arabia Saudita, Iran, Iraq, Kuwait, Stati
del Golfo Persico e Libia.
Altre riserve si possono trovare in Siberia,
Asia Centrale e Venezuela. Il controllo delle fonti petrolifere è stato la causa di gran
parte delle guerre scoppiate nel mondo negli ultimi anni.
Capitolo 1
L’energia, le sue trasformazioni e la sua conquista
11.5 La radioattività e l’energia atomica
253
Fig. 7 - Distribuzione percentuale delle riserve stimate di petrolio (1996): la maggior parte si trova nei Paesi
dell’OPEC. OECD è la sigla dell’Organizzazione per la
cooperazione e lo sviluppo economico (Organization
for Economic Cooperation and Developement). Tra le
nazioni che aderiscono allOECD, vi sono tutti gli stati della Comunità Europea, il Giappone e gli Stati Uniti d’America
Capitolo
2
Le risorse energetiche
Parte I: Fondamenti delle discipline di insegnamento
Libro IX: Energia e applicazioni
1. Classificazione delle fonti di energia
254
L’uomo è da sempre alla ricerca di energia per vivere, per spostarsi, per mandare avanti le
sue attività, e nel corso degli anni ha ricavato questa energia in diversi modi. Ad esempio ha
sfruttato il calore proveniente dalla combustione del legno, dei carboni fossili, del petrolio,
del gas naturale o dalla fissione nucleare dell’uranio; ha utilizzato l’energia del vento, dell’acqua, del sole, della Terra trasformandola in altre forme di energia.
Tutte le fonti da cui l’uomo ricava energia sono dette fonti o sorgenti energetiche.
Esse possono essere primarie, secondarie, esauribili e inesauribili o rinnovabili.
2. Fonti primarie e secondarie
Le fonti primarie di energia sono quelle presenti in natura, che non hanno subito alcuna trasformazione. Le fonti secondarie derivano da una trasformazione delle fonti primarie.
Fonti secondarie di energia sono la benzina, il gas di città e l’energia elettrica:
— la benzina deriva dalla lavorazione del petrolio greggio;
— il gas di città deriva dal trattamento del gas naturale;
—l’energia elettrica deriva dalla trasformazione di energia meccanica o chimica.
In teoria le fonti primarie di energia sarebbero molte di più. Ad esempio, un masso di 50 Kg
che si trova sulla cima dell’Everest ha un’energia potenziale calcolata rispetto al livello del
mare di 1,25 KWh, ma non è facilmente utilizzabile in quanto per sfruttarla bisognerebbe
organizzare ogni volta una spedizione e i costi sarebbero maggiori dei ricavi ottenuti dallo
sfruttamento di questa energia.
Quindi, affinché una fonte primaria di energia possa essere considerata tale deve possedere alcune caratteristiche. In particolare, deve essere:
—concentrabile. Deve essere possibile concentrare la sorgente di energia in un’area relativamente limitata. Quest’area può essere quella su cui sorge una centrale idroelettrica
ma anche il serbatoio di benzina dell’automobile o la pila di una calcolatrice;
—indirizzabile. Deve essere possibile indirizzare il prodotto nella direzione in cui può essere utilizzato. Ad esempio deve essere possibile indirizzare la benzina in un bruciatore
o l’acqua in una turbina;
—frazionabile. Deve essere possibile frazionare la sorgente in più parti in modo da poter
utilizzare soltanto la quantità di energia necessaria. Ad esempio fonti energetiche come
i fulmini o le esplosioni non sono utilizzabili in quanto non sono frazionabili;
—continua. La sorgente deve funzionare per un certo tempo fornendo energia con continuità. Anche in questo caso il fulmine o l’esplosione non sono fonti di energia continua;
—regolabile. L’energia fornita dalla sorgente deve essere graduabile a seconda delle necessità.
3. Fonti esauribili e fonti rinnovabili
I tipi di energia rinnovabile attualmente più
utilizzati sono 6:
Geotermica
Eolica
•l’energia idraulica derivante dall’acqua;
•l’energia geotermica derivante dal caFig. 1 - Le fonti di energia rinnovabile
lore terrestre;
•l’energia solare derivante dal sole;
•l’energia eolica derivante dal vento;
•l’energia gravitazionale derivante dalle maree;
•l’energia delle biomasse.
Idraulica
4. Fonti esauribili: i combustibili fossili
I combustibili fossili si sono formati milioni di anni fa in seguito alla trasformazione di materiale organico di origine biologica.
Questa trasformazione è avvenuta a causa delle forti pressioni e delle elevate temperature
a cui questo materiale organico è stato sottoposto per milioni di anni e grazie all’azione di
batteri anaerobici (cioè che vivono in assenza di ossigeno).
In generale questi combustibili vengono classificati in:
• solidi (carbone, legna, residui vegetali);
• liquidi (petrolio e derivati);
• gassosi (gas naturale).
Circa un terzo dell’energia derivante dai combustibili fossili viene trasformata in elettricità.
5. Fonti esauribili: il carbone fossile
Il carbone fossile deriva dalla lenta e graduale decomposizione di antichissime foreste.
Infatti circa 350 milioni di anni fa, nell’era primaria, la terra era caratterizzata da un clima caldo umido che permise il sorgere di estese foreste. Nell’era successiva, quella secondaria, si verificarono dei giganteschi smottamenti in seguito ai quali queste foreste ven-
Capitolo 2
Le risorse energetiche
Le fonti di energia primaria possono essere esauribili o rinnovabili.
Le risorse esauribili sono quelle che si esauriscono con il passare del tempo senza rinnovarsi in tempo utile. Esse vengono estratte dalla Terra e, benché presenti in quantità enormi, sono destinate ad esaurirsi in tempi più o meno brevi. Di questo gruppo fanno parte i
combustibili fossili (carbone, petrolio, gas naturale) e il materiale radioattivo (uranio).
Le risorse rinnovabili o inesauribili sono
Solare
Maree
così chiamate perché derivano in modo diretto o indiretto da fonti inesauribili di energia (come il Sole) o da fenomeni che si verificano costantemente (come il vento o le maBiomassa
ree). Queste fonti sono anche dette alternative o integrative, in quanto possono rappresentare una fonte di energia alternativa praEnergia
ticamente gratuita, ma per gli alti costi di traRinnovabile
sformazione e i rendimenti piuttosto bassi
devono essere integrate con le risorse energetiche esauribili tradizionali.
255
nero ricoperte da detriti terrosi e sommerse dalle acque, iniziando così a fossilizzarsi e
a carbonizzarsi (cioè ad aumentare il loro contenuto di carbonio, trasformandosi così in
carboni fossili).
A seconda del periodo di formazione i carboni fossili vengono suddivisi in quattro categorie (Figura 2):
256
torba;
lignite;
litantrace;
antracite.
La torba è un carbone fossile relativamente
torba
recente (600.000 anni) e talmente povero di
carbone da non essere considerato un carbon
fossile vero e proprio.
Bruciando genera dei fumi maleodoranti ed
ecologicamente nocivi, per cui prevalentemente non viene usata come combustibile ma piutlignite
1000
tosto come correttivo dei terreni utilizzati per
la coltivazione dei fiori.
La lignite è anch’essa un carbon fossile relativamente recente (50.000.000 di anni) che si
è originata dalle foreste dell’era secondaria e
litantrace
terziaria. È quindi considerata un combusti3000
bile di qualità scadente.
Il litantrace è il carbone più diffuso in natura e
risale a circa 250 milioni di anni fa. Viene utilizzato come carburante nelle centrali elettriche.
antracite
L’antracite è un carbone di qualità superiore
6000
e viene usato principalmente per il riscaldamento domestico.
Fig. 2 - Profondità dei diversi strati di carboni fossili
Esistono poi dei carboni artificiali che sono
ottenuti dalla lavorazione dei carboni fossili
naturali. Il più noto è il carbone coke, che si ottiene riscaldando il litantrace in un ambiente privo di aria e viene utilizzato, per la sua elevata resistenza meccanica, prevalentemente
negli altiforni, in quanto riesce a sopportare pressioni molto elevate.
Profondità in metri
Parte I: Fondamenti delle discipline di insegnamento
Libro IX: Energia e applicazioni
•
•
•
•
0
6. Il petrolio
Il petrolio naturale (o greggio) è una miscela densa e oleosa di idrocarburi leggeri e pesanti che possono essere separati per distillazione frazionata. Il suo colore varia dal giallo bruno al nerastro, ha un potere calorifico di 10.500 Kcal/Kg e si trova negli strati profondi del
sottosuolo da dove a volte affiora formando dei piccoli laghi.
6.1Gli idrocarburi
Abbiamo detto che il petrolio è formato da una miscela di idrocarburi. Dunque, per poter
comprendere sia la sua formazione che le tecniche di estrazione è necessario chiarire che
cosa sono questi composti chimici. Gli idrocarburi sono costituiti da molecole che contengono soltanto atomi di idrogeno (idro) e di carbonio (carburi).
Gli atomi di carbonio possono unirsi fra di loro in diversi modi a seconda del loro numero.
Ad esempio il metano ha la composizione riportata in Figura 3.
Mentre l’etano ha una diversa composizione (Figura 4).
All’aumentare del numero degli atomi di carbonio e di idrogeno le molecole diventano sempre più pesanti. I composti con
pochi atomi di carbonio sono gassosi (metano, etano, butano
e propano); quelli con un numero di atomi di carbonio superiore sono liquidi (benzolo) e infine esistono degli idrocarburi solidi come la paraffina e la naftalina.
H
La formazione degli idrocarburi è iniziata centinaia di milioni
di anni fa, quando i mari della Terra erano popolati da esseri vi- Fig. 3 - Una molecola di metano
venti marini molto piccoli: il plancton. Alla loro morte, questi
organismi precipitarono sui fondali mescolandosi al fango e ai
detriti delle rocce trasportati dai fiumi verso il mare. Ai resti di
questi animali si sono aggiunti quelli di piante ed animali che
popolavano la Terra e che con il passare del tempo si sono accumulati sul fondo dei mari. In questo modo si sono creati dei
depositi marini di sedimenti organici. Questi sedimenti organici vennero via via decomposti dall’azione di batteri che popola H H
vano, e popolano tuttora, le profondità della Terra. Tali batteri,
H c c H
essendo anaerobici, vivono e si riproducono in assenza di os H H
sigeno, ricavando l’ossigeno necessario per il loro metabolismo
proprio dai sedimenti organici. Ora, le piante sono costituite
principalmente da carbonio, idrogeno e ossigeno, mentre gli
animali sono costituiti principalmente da carbonio, idrogeno,
ossigeno e azoto. Prelevando dai sedimenti organici l’ossigeno
per sopravvivere, questi batteri anaerobici ne hanno fatto via
via aumentare la loro percentuale di idrogeno e di carbonio.
CH3CH3
Con il passare del tempo, a causa della continua sedimenta- Fig. 4 - Una molecola di etano
zione, gli strati che si trovavano a diretto contatto con i fondali marini sono stati schiacciati da quelli superiori, e ciò ha portato ad un continuo aumento
della pressione e della temperatura al loro interno. L’alta concentrazione di carbonio e di
idrogeno presente nei sedimenti, unita alle alte pressioni e alle alte temperature, ha fatto
innescare delle reazioni chimiche che hanno portato alla combinazione degli atomi di
idrogeno e di carbonio, e cioè alla formazione degli idrocarburi.
Contemporaneamente a questo processo, la grande pressione esercitata dai sedimenti superiori sugli strati più bassi ha provocato la solidificazione dei fanghi e delle argille sui fondali marini creando così delle zone di argillite porosa nei cui pori sono avvenute le reazioni che hanno portato alla formazione del petrolio.
Quindi non dobbiamo pensare al petrolio come a un liquido che scorre nel sottosuolo e che
poi ogni tanto affiora in superficie, ma come a miliardi e miliardi di goccioline che impregnano queste rocce di argillite porosa che sono dette rocce madri.
Con il passare del tempo, e con l’accumulo di ulteriori strati di materiale sedimentoso, queste rocce madri vengono compresse, o meglio «strizzate» (proprio come una spugna) e dai
loro pori fuoriesce il petrolio che si accumula in altre rocce dette rocce magazzino. Queste
ultime sono delle rocce che circondano la roccia madre ma sono più porose di quest’ultima
e sono permeabili. Quindi possono assorbire il petrolio fuoriuscito dalle rocce madri, ed
Capitolo 2
Le risorse energetiche
6.2 La formazione del petrolio
H
H c H
257
esso può spostarsi da una roccia magazzino all’altra fino a quando non incontra uno strato
di rocce impermeabili che lo bloccano nel sottosuolo. Si creano così delle trappole di petrolio che sono meglio note come giacimenti petroliferi.
Parte I: Fondamenti delle discipline di insegnamento
Libro IX: Energia e applicazioni
6.3La ricerca e l’estrazione del petrolio
258
I giacimenti di petrolio si trovano generalmente a notevoli profondità nel sottosuolo o sui
fondali marini e quindi, a meno che il petrolio non affiori in superficie, per riuscire a estrarlo bisogna innanzitutto cercarlo.
Cercare il petrolio non è un’operazione semplice; ci vuole un grosso investimento economico insieme ad approfondite competenze tecnico-scientifiche di natura fisica, geofisica e ingegneristica.
La ricerca inizia «a tavolino», nel senso che viene studiata la natura del suolo e del sottosuolo e viene identificata una possibile zona in cui gli strati di roccia presentino le caratteristiche tipiche delle rocce magazzino.
Successivamente la ricerca si sposta sul luogo prescelto e si effettuano una serie di prove
sul terreno per verificare la presenza effettiva del petrolio nella zona.
Una volta stabilite l’esistenza e la consistenza del giacimento si passa alla fase di estrazione.
Per estrarre il petrolio si perfora il terreno con una trivella, un utensile perforatore a punta
rotante che viene conficcato nel terreno e viene fatto ruotare con movimenti elicoidali.
Quando la trivella raggiunge la trappola di petrolio, il combustibile fuoriesce all’esterno a
causa della spinta del gas e dell’acqua contenuti al suo interno.
A questo punto la trivella viene tolta e al suo posto si istalla in cima al pozzo un sistema di
valvole e di manometri che contengono la spinta del petrolio, evitano le perdite, consentono l’erogazione del pozzo e regolano il flusso del petrolio. Questo macchinario è chiamato
«albero di Natale» per la sua forma particolare (Figura 6).
Carrucola
fissa
Piattaforma
di lavoro
Snodo
Verricello
Cavo di
manovra
Gancio
Tubo del
fango
Albero di
Natale
Tubing
Tavola rotante
Asta di
trivellazione
Pompa per la
circolazione
del fango
Scalpello
Fig. 5 - Trivellazione del suolo per l’estrazione di
petrolio
Petrolio
Fig. 6 - Un «albero di Natale»
Oleodotto
6.4 La ricerca fuori costa (off-shore)
Negli ultimi anni ha assunto notevole importanza la ricerca di giacimenti nei fondali marini.
A questo scopo sono state costruite delle piattaforme che vengono fissate sul fondo ed emergono al di sopra delle acque. Dalle piattaforme vengono direttamente perforati i fondali e,
in caso di successo, il petrolio viene poi inviato sulla terraferma mediante un sistema di oleodotti. L’impiego di piattaforme galleggianti semisommergibili consente di raggiungere profondità di quasi 300 metri. I pozzi esplorativi invece raggiungono quasi i 3.000 metri di profondità.
Il petrolio che viene estratto dalle trivelle (petrolio greggio) non può essere utilizzato in
quanto è composto da un miscuglio di idrocarburi molto diversi fra loro.
È dunque necessario separare questa miscela di idrocarburi mediante un processo detto di raffinazione o di distillazione frazionata, che avviene in grandi complessi chiamati raffinerie.
La raffinazione del petrolio greggio avviene per trattamenti successivi.
Il primo trattamento è la distillazione frazionata (in inglese topping) e avviene nella torre di frazionamento (Figura 7), che contiene al suo interno un certo numero di piatti posti
ad altezze diverse.
Questo trattamento sfrutta un principio chimico-fisico molto semplice: ogni idrocarburo ha
una propria temperatura di condensazione (passaggio dallo stato di vapore allo stato liquido) che dipende dal numero di atomi di carbonio che costituiscono la sua molecola. Maggiore è il numero di atomi di carbonio, più alta è la temperatura di condensazione.
Il petrolio greggio viene riscaldato fino al punto di evaporazione (350°C) e i vapori ottenuti vengono convogliati nella torre di frazionamento.
Man mano che si sale all’interno della torre la temperatura diminuisce, i vapori perdono il
calore e ritornano allo stato liquido.
Siccome la temperatura di condensazione varia da idrocarburo a idrocarburo e diminuisce
con il diminuire degli atomi di carbonio, sui piatti posti più in alto, che si trovano quindi a
temperature minori, condenseranno gli idrocarburi più leggeri mentre sui piatti posti più
in basso condenseranno gli idrocarburi più pesanti.
Al fondo della torre condenseranno i componenti più complessi che costituiscono il residuo
della distillazione frazionata.
In particolare:
•oltre i 350°C si condensa l’olio pesante che viene utilizzato come combustibile nelle
centrali termoelettriche;
•tra i 350° e i 260° si condensa il gasolio utilizzato come combustibile nei motori diesel e per il riscaldamento domestico;
•tra i 260° e i 200° si condensa il kerosene utilizzato come propellente per gli aerei a
reazione e per gli impianti di riscaldamento e la nafta utilizzata come combustibile e
come materia prima nella produzione di materie plastiche, farmaci, pesticidi e fertilizzanti;
•tra i 200° e i 35° si condensano le benzine che vengono utilizzate come carburanti per
automobili e aerei;
•a 35° rimangono i gas: metano, etano, propano e butano.
Gli idrocarburi che vengono ottenuti dalla prima distillazione non possono ancora essere
utilizzati come combustibili ma devono subire ulteriori processi di raffinazione per eliminare le impurità e migliorare le caratteristiche fisico-chimiche.
Capitolo 2
Le risorse energetiche
6.5 La lavorazione del petrolio
259
Idrocarburi gassosi 60°c
Benzina 120°c
Parte I: Fondamenti delle discipline di insegnamento
Libro IX: Energia e applicazioni
Cherosene 250°c
Gasolio 300°c
260
Lubrificanti
Nafta leggera
Nafta pesante
T>350°c
Oli pesanti-bitumi
Fig. 7 - Torre di frazionamento per la distillazione del petrolio
Il residuo di topping viene ulteriormente distillato ottenendo in questo modo keroseni, gasoli e oli lubrificanti che vengono impiegati per diminuire l’attrito fra gli organi in movimento del motore e nei dispositivi meccanici in generale.
Dal residuo di questa seconda distillazione si ottengono i bitumi che sono utilizzati principalmente nella produzione di asfalto per la copertura delle strade.
7. Il gas naturale
Il gas naturale è una miscela di idrocarburi e di gas inerti in proporzioni variabili; esso è
composto principalmente da metano (per questo è comunemente chiamato con questo
nome) e da piccole quantità di etano, butano, pentano, azoto, elio e anidride carbonica.
Anche il gas naturale, come il petrolio, è un idrocarburo; anzi è l’idrocarburo più semplice: la formula chimica del metano è CH4, un atomo di carbonio è legato a 4 atomi di idrogeno (Figura 8).
L’origine del gas naturale è simile a quella del petrolio ed è dovuta
alla decomposizione di sostanze organiche che sono poi rimaste intrappolate in sacche sotterranee. Il gas naturale si trova generalmente nella parte superiore dei giacimenti petroliferi ma può trovarsi in
zone povere o prive di petrolio, in quanto i gas tendono a spostarsi
nel sottosuolo con maggiore facilità rispetto agli idrocarburi liquidi Fig. 8 - Una molecola di gas
e solidi.
Importazione
58,8%
Capitolo 2
Le risorse energetiche
Produzione Nazionale
41,2%
Disponibilità 100%
10,7%
usi in
cucina e acqua
calda
28,7%
riscaldamento
domestico
55,6%
5%
grandi
industrie e
centrali
termoelettriche
piccola
industria e
artigianato
261
Fig. 9 - Il gas in Italia
8. Il GPL
Nelle aree non raggiunte dalla rete di distribuzione del gas si utilizza il GPL (gas di petrolio
liquefatto) che è una miscela di idrocarburi allo stato liquido formata essenzialmente da
propano e butano.
Il GPL viene trasportato con delle autocisterne e il suo utilizzo è in rapido sviluppo in quanto:
•è facile da trasportare, ovunque c'è una strada può essere consegnato;
•soddisfa ogni esigenza. Infatti può essere utilizzato dal riscaldamento domestico a quello industriale, passando dall'uso artigianale, turistico (villaggi, hotel e ristoranti), per arrivare ad usi speciali quale il riscaldamento agricolo (serre, allevamenti ecc.);
•ha un alto potere calorifico;
•è ecologico. Non fa fumi, non lascia residui, la sua combustione libera prodotti non inquinanti.
Il GPL viene anche utilizzato come carburante per le automobili ma, in questo caso, le macchine devono essere munite di contenitori speciali.
Parte I: Fondamenti delle discipline di insegnamento
Libro IX: Energia e applicazioni
9. Le sostanze radioattive
262
Per comprendere come mai le sostanze radioattive (e in particolare l’uranio) sono così importanti per la produzione di energia nucleare è necessario capire come è formata la materia.
Tutte le sostanze sono formate da atomi. Questi si legano inNucleo
sieme formando le molecole (ad esempio, una molecola d’acqua è formata da un atomo di ossigeno e da due atomi di idrogeno).
Un atomo è a sua volta formato da particelle subatomiche:
protoni, neutroni ed elettroni (Figura 10). I protoni e i neutroni costituiscono il nucleo dell’atomo mentre gli elettroni
percorrono delle orbite all’esterno del nucleo.
I protoni hanno carica elettrica positiva, gli elettroni la hanno negativa e i neutroni non hanno carica.
Uno dei principi fondamentali della Natura stabilisce che particelle aventi lo stesso tipo di carica elettrica si respingono Elettrone
mentre particelle che hanno carica opposta si attraggono.
Fig. 10 -Composizione dell’atomo
Da ciò deriva che i protoni, avendo carica positiva, tendono a
respingersi e non potrebbero restare confinati all’interno dell’atomo se non esistessero delle forze nucleari intensissime che li costringono a restare vicini. È un po’ come se cercassimo di comprimere al massimo una molla per poi rinchiuderla in una scatola piccolissima:
per comprimere la molla dovremmo applicare una forza contraria a quella della molla stessa e nel comprimerla noi faremmo un lavoro dato dal prodotto della forza applicata per la
compressione della molla. In questo processo la molla acquista energia e quindi, mentre è
compressa nella scatola, ha una certa quantità di energia dovuta al fatto di essere stata compressa (energia potenziale elastica). Questa energia verrà rilasciata una volta aperta la scatola quando la molla tornerà nella posizione iniziale.
Allo stesso modo, le forze nucleari compiono un certo lavoro sui protoni per «rinchiuderli»
all’interno del nucleo. Questo vuol dire che il nucleo, come la molla nella scatola, possiede
una certa energia, detta in questo caso energia di legame, che continuerà a rimanere confinata fino a quando il nucleo non si «rompe».
Nel momento in cui avviene la rottura del nucleo l’energia immagazzinata al suo interno
dalle forze nucleari verrà rilasciata e l’energia prodotta è proprio l’energia nucleare.
9.1L’uranio e la fissione nucleare
L’uranio è il più pesante degli elementi chimici naturali. L’isotopo dell’uranio U-235, in particolare, ha una proprietà molto interessante: il suo nucleo può essere «bombardato» con
dei neutroni e, a seguito di questo bombardamento, il nucleo dell’uranio 235 si scinde e dalla scissione (fissione) si generano due atomi leggeri, la cui massa complessiva è inferiore alla massa di partenza, e tre neutroni che si muovono in tutte le direzioni (Figura 11).
La «massa mancante» viene trasformata in energia secondo la formula E = mc2.
I neutroni liberati possono muoversi in tutte le direzioni e quindi possono incontrare altri
atomi di uranio 235 innescando così una reazione a catena.
In generale l’energia prodotta da ogni singola fissione è molto grande: la reazione di 1kg di
uranio 235 sviluppa 18,7 milioni di chilowattora.
I reattori nucleari e le bombe nucleari sfruttano proprio la reazione a catena dell’uranio.
Neutrone
Neutrone
Neutrone
U
Neutrone
235
U+
236
Fig. 11 -Schema di fissione del nucleo di un atomo di uranio 235
Prodotti della fissione
Nei reattori nucleari il processo viene controllato con delle «barre di controllo» (come vedremo in seguito) mentre nelle bombe nucleari, le bombe atomiche, la reazione a catena che
si produce durante l’esplosione è incontrollata.
L’uranio deve subire una serie di trattamenti prima di poter essere utilizzato per generare energia.
1.Estrazione e macinazione
L’uranio viene estratto in miniere che possono essere a cielo aperto o sotterranee.
Da queste miniere le rocce contenenti il minerale vengono trasportate in un centro di
macinazione dove vengono macinate e filtrate in modo da separare l’uranio dalla roccia.
L’uranio viene quindi ridotto a ossido di uranio (U3O8) ed è pronto per essere venduto.
Per mantenere una centrale nucleare attiva per un anno ci vogliono circa 200 tonnellate di ossido di uranio.
2. Conversione
L’uranio viene quindi trasformato in gas (uranio esafluoride UF6) per essere arricchito.
3. Arricchimento
La maggior parte delle centrali nucleari necessita di uranio arricchito, cioè di un uranio in
cui la percentuale dell’isotopo U-235 sia maggiore del 3,5% . Siccome in natura l’U-235 è
presente in una percentuale dello 0,7% l’uranio esafluoride viene arricchito con uranio 235.
4. Fabbricazione del carburante
L’UF6 arricchito viene quindi convertito in biossido di uranio (UO2), ridotto in polvere e
compresso in pastiglie.
Queste pastiglie vengono inserite in tubi sottili (barre di combustibile) che vengono poi
saldati insieme per formare gli elementi di combustibile, i quali sono trasportati al reattore pronti per essere utilizzati. Una centrale nucleare consuma in media 25 tonnellate
di carburante nucleare all’anno.
5. Utilizzo nel reattore
Nel reattore nucleare viene indotta la fissione degli atomi di uranio 235 e in questo processo viene rilasciata un’enorme quantità di energia, che viene utilizzata per riscaldare
l’acqua presente nel reattore e trasformarla in vapore.
Capitolo 2
Le risorse energetiche
9.2 Il ciclo dell’uranio
263
Questo vapore mette in azione una turbina connessa ad un generatore il quale produce
elettricità.
In un reattore nucleare la fissione dell’uranio è quindi utilizzata come sorgente di calore esattamente come il carbone, il gas o il petrolio vengono utilizzati in una centrale termoelettrica.
Parte I: Fondamenti delle discipline di insegnamento
Libro IX: Energia e applicazioni
6. Smaltimento delle scorie radioattive
Il combustibile nucleare, una volta bruciato, pur continuando ad essere altamente radioattivo non è più utilizzabile per la produzione di energia. Esso viene conservato in contenitori metallici pressurizzati per circa un mese e poi viene immerso per un anno in vasche di raffreddamento poste nelle vicinanze del reattore.
264
7. Sistemazione finale delle scorie
Le scorie vengono quindi poste in bidoni adeguatamente schermati, e questi ultimi vengono sistemati in siti geologicamente stabili e costantemente monitorati.
9.3Le scorie radioattive
Un notevole inconveniente legato all’utilizzo dell’energia nucleare è rappresentato dall’eliminazione delle scorie radioattive, cioè di ciò che rimane del materiale radioattivo (l’uranio) dopo la fissione.
Le scorie infatti possono ancora essere molto pericolose perché restano radioattive per molte migliaia di anni.
Attualmente questo problema non ha ancora trovato una soluzione del tutto sicura.
Le scorie vengono racchiuse in bidoni che vengono poi interrati nei fondali marini e isolati
con dei tappi di calcestruzzo.
9.4La fusione dell’idrogeno
Un altro modo con cui è possibile ottenere energia a livello atomico è sfruttando la fusione
dell’idrogeno.
Facendo «fondere» tra di loro un nucleo di deuterio e uno di trizio (si tratta di due isotopi
dell’idrogeno) si ottiene un nucleo di elio-4, più leggero della somma degli altri due. Anche
in questo caso, la quantità di «materia mancante» si è trasformata in energia, secondo la celebre formula E = mc2.
Rispetto alla fissione, la fusione presenta diversi vantaggi: innanzitutto è impossibile che si verifichi una reazione a catena incontrollabile perché basta interrompere l’emissione di deuterio e trizio per far cessare immediatamente la reazione. Un altro punto a favore è dato dalla produzione di scorie; anche la fusione produce delle scorie radioattive, ma in cento anni esse perdono la loro pericolosità mentre per i prodotti della fissione occorrono molte migliaia di anni.
L’unico inconveniente della fusione è legato al fatto che, perché possa avvenire, devono verificarsi delle condizioni eccezionali: i nuclei devono trovarsi ad altissime temperature (superiori ai 100 milioni di gradi centigradi) e devono essere sottoposti a fortissime pressioni.
Queste condizioni si verificano soltanto nel sole e nelle stelle, e infatti l’energia con cui il
sole ci irradia deriva da una reazione termonucleare che porta alla fusione dell’idrogeno.
Finora i risultati più avanzati della ricerca sono stati realizzati al Joint European Torus (JET),
l’esperimento dell’Unione Europea in attività a Culham, in Gran Bretagna, il più grande reattore termonucleare a fusione oggi esistente nel mondo. La fusione ottenuta a Culham, tuttavia, genera una potenza quasi uguale a quella necessaria per mantenere attivo il reattore
stesso. Quindi complessivamente JET non produce energia. Ma nel 2006 è iniziata la costruzione di ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor): il primo grande reattore a fusione in grado di fornire più energia di quella che assorbe per funzionare.
Il combustibile di ITER sarà un gas creato con una miscela di deuterio e di trizio, mantenuto alla temperatura di 200 milioni di gradi, circa tredici volte la temperatura del sole!
In queste condizioni i nuclei di trizio e di deuterio si avvicineranno tra loro fino a fondersi
producendo nuclei di elio e neutroni e liberando una spaventosa quantità di energia.
10. L’acqua
11. L’energia del mare
A partire dal 1973, anno della crisi energetica arabo-israeliana, sono state avviate delle ricerche
per riuscire a sfruttare l’energia del mare e, in particolare, l’energia delle onde e delle maree.
La forza delle onde deriva in modo indiretto dall’energia solare, la quale genera i venti e
quindi il moto ondoso. Uno schema per comprendere la possibilità di sfruttamento delle
onde per generare energia può essere visto nella Figura 12 che riporta il meccanismo utilizzato in una centrale realizzata nelle Isole Ebridi.
La variazione del livello
dell’acqua fa affluire o
defluire l’aria
Quando il livello dell’acqua si abbassa, l’aria viene aspirata e aziona la turbina; quando il livello dell’acqua si innalza, l’aria fuoriesce mettendo in moto la turbina nella direzione opposta
Mare aperto
Camera in
calcestruzzo
Le onde innalzano e abbassano il livello
dell’acqua all’interno della camera
Fig. 12 -Esempio di come è possibile sfruttare il moto ondoso per produrre energia
Capitolo 2
Le risorse energetiche
Fin dai tempi antichi l’uomo ha capito che poteva sfruttare l’energia cinetica dell’acqua per azionare le macchine. Il motore più antico che si conosca, e che utilizza proprio la forza dell’acqua,
è la ruota idraulica, inventata attorno al III secolo a.C. dai Greci e utilizzata fino al XIX secolo.
Questo tipo di mulino era ad asse verticale: l’acqua colpiva l’albero verticale che a sua volta faceva ruotare la macina mobile sulla sua sommità.
La ruota idraulica venne usata per moltissimi secoli, tuttavia all’inizio del 1800 le macchine che si basavano su questo principio erano diventate ormai insufficienti per colmare la richiesta di energia.
Fu così che nacque la turbina, molto più veloce.
Le prime turbine idrauliche vennero utilizzate per azionare i macchinari delle fabbriche in
Europa e negli Stati Uniti e subirono continui perfezionamenti durante tutto il XIX secolo.
La grande richiesta di energia elettrica che si verificò sempre nel XIX secolo spinse gli ingegneri a studiare la possibilità di utilizzare le turbine per produrre energia elettrica. Nacquero così i
primi turboalternatori, grazie ai quali si poteva generare energia elettrica dall’energia idrica.
265
Le maree sono invece dei movimenti periodici della superficie del mare, la quale passa da un
livello più alto (alta marea) a uno più basso (bassa marea). Il fenomeno delle maree è dovuto
al fatto che l’acqua del mare risente dell’attrazione che i corpi celesti esercitano sulla Terra.
Fin dall’antichità si è cercato di sfruttare l’energia delle maree con la costruzione di «mulini di mare». L’acqua veniva racchiusa durante il flusso in un piccolo bacino che veniva poi
chiuso con una paratia. Al momento del deflusso l’acqua veniva convogliata attraverso un
canale verso una ruota che faceva muovere una macina.
Attualmente, la più importante centrale che sfrutta il fenomeno delle maree si trova in Francia (Figura 13).
Parte I: Fondamenti delle discipline di insegnamento
Libro IX: Energia e applicazioni
Alta marea
266
Mare
Bassa marea
Paratia della
turbina (chiusa)
Turbina idraulica inattiva
Durante la bassa
marea questa
paratia viene
chiusa
Durante l’alta
marea l’acqua
passa nella
paratia
Fig. 13 -Esempio di centrale mareomotrice
Paratia della
turbina
(aperta)
L’acqua aziona la turbina
12.Il calore terrestre e l’energia geotermica
Il termine «geotermia» deriva dal greco e significa letteralmente «calore della Terra».
L’energia geotermica è infatti generata dal flusso di calore che scorre attraverso le rocce
dall’interno della Terra verso la superficie.
L’energia geotermica viene generata a causa della conformazione stessa della Terra. Quest’ultima può infatti essere suddivisa in quattro zone:
• un nucleo interno solido;
• un nucleo esterno liquido;
• un mantello che avvolge il nucleo, semi liquido;
•una crosta che racchiude il mantello e ci separa dal calore interno della Terra.
Il nucleo della Terra si trova a una temperatura compresa fra i 3.700°C e i 4.300°C e nelle
zone del mantello in cui la temperatura del calore aumenta oltre un certo limite la roccia si
fonde diventando magma. Il magma, essendo meno denso della roccia circostante, sale verso la superficie (crosta) trasportando calore.
13. Il sole e l’energia solare termica
Il Sole è la stella a noi più vicina e senza di essa la vita sul nostro pianeta non esisterebbe.
L’energia solare è infatti l’energia primaria da cui dipendono tutte le altre forme di energia:
le piante utilizzano il sole per sopravvivere con la fotosintesi clorofilliana; gli animali mangiano le piante e poi l’uomo mangia sia le piante che gli animali per sopravvivere.
Dalla decomposizione delle piante derivano i combustibili che sono a loro volta fonte di
energia, quindi i combustibili che oggi utilizziamo hanno immagazzinato l’energia solare di
milioni di anni fa.
Ma l’energia del Sole può anche essere sfruttata direttamente: più avanti parleremo dei pannelli solari e dei pannelli fotovoltaici, che sfruttano il calore del sole per produrre energia.
14. Il vento e l’energia eolica
L’uomo ha imparato molto presto a sfruttare l’energia del vento per navigare, poi per far
muovere le pale dei mulini a vento e, ai giorni nostri, per far muovere le pale degli aerogeneratori (dei quali si parlerà più avanti).
La differenza fra queste tre applicazioni è sostanziale:
•nella navigazione l’energia del vento viene utilizzata direttamente grazie alla spinta che
essa imprime alle vele;
•nei mulini l’energia del vento viene invece trasformata in energia meccanica;
•negli aerogeneratori l’energia del vento viene trasformata in energia elettrica.
Capitolo 2
Le risorse energetiche
La crosta terrestre in realtà è composta da tante zolle o placche che si incastrano tra loro
come in un gigantesco puzzle.
Queste placche galleggiano sul magma; Temperature
Profondità in
hanno uno spessore di circa 40 km e sono in gradi
chilometri
formate sia dalle terre emerse che da fon- Celsius
dali oceanici.
2.000
Lungo il confine fra due placche adiacenti
la temperatura è nettamente superiore alla
media in quanto la massa magmatica è mol4.000
to vicina alla superficie, ed è proprio lun4.000°
go questi confini che si localizzano vulcani, geyser, fumarole, hot spot e altri fe6.000
nomeni di natura termica.
5.000°
Sotto la crosta terrestre si possono trovare dei veri e propri sistemi geotermici, cioè
delle zone in cui il calore terrestre si è concentrato sotto varie forme. Ad esempio può
essere una zona in cui sono presenti delle
Fig. 14 -Le temperature interne della Terra
rocce molto calde, oppure dei bacini di vapore, di magma o di acqua bollente.
Peccato che questi sistemi geotermici si trovino quasi sempre a profondità troppo elevate
per essere sfruttati industrialmente. Per una effettiva possibilità di estrazione e di utilizzazione pratica è quindi necessario individuare le zone in cui il calore si è concentrato in spazi
ristretti e a profondità economicamente accessibili. In questi casi si parla di «serbatoi geotermici» o di «giacimenti geotermici» e generalmente sono rappresentati da sistemi geotermici idrotermali.
267
L’energia eolica è una forma di energia non facile da sfruttare. Il vento ha di solito una bassa potenza e un’intensità irregolare, può essere del tutto assente o può variare di direzione
da un momento all’altro. Quindi non può essere utilizzata in quelle lavorazioni che devono
avere un andamento continuo e non intermittente.
Con il profilarsi della crisi energetica comunque l’interesse per questa energia pulita e rinnovabile ha avuto un notevole risveglio.
Parte I: Fondamenti delle discipline di insegnamento
Libro IX: Energia e applicazioni
15.La biomassa
268
Possiamo classificare come biomassa una grande quantità di materiale di natura estremamente eterogenea. Le più importanti tipologie di biomassa sono i residui forestali, gli scarti dell’industria di trasformazione del legno (trucioli, segatura ecc.), gli scarti delle aziende
zootecniche e i rifiuti solidi urbani.
I principali vantaggi delle biomasse sono: abbondanza, facilità di estrazione energetica, economicità. Ancora, le biomasse non contribuiscono all'effetto serra, né alla produzione di
piogge acide, in quanto hanno basso tenore di zolfo. Sono rinnovabili e alla fine del loro ciclo possono essere ancora riutilizzate come fertilizzante.
All’avanguardia, nello sfruttamento delle biomasse come fonte energetica, sono i Paesi del
centro-nord Europa, che hanno installato grossi impianti di riscaldamento alimentati a biomasse.
Nel quadro europeo dell’utilizzo energetico delle biomasse, l’Italia si pone in una condizione di scarso sviluppo, nonostante l’elevato potenziale di cui dispone.
La biomassa rappresenta la più consistente tra le forme di energia rinnovabile; peccato che
presenti una notevole difficoltà di impiego in quanto, a seconda dei materiali da cui si vuole ottenere energia, molto diversi sono sia le tecnologie da usare sia i prodotti ottenuti.
I prodotti più conosciuti che si possono ottenere dalle biomasse sono:
•
•
•
•
il biogas;
l’etanolo;
il metanolo;
il biodiesel.
15.1 Il biogas
Il problema principale a cui i grandi allevamenti di bestiame e le fattorie hanno da sempre
cercato di trovare una soluzione è lo smaltimento dei rifiuti prodotti dagli animali.
Fortunatamente è stato scoperto che dalla fermentazione di quei rifiuti è possibile ricavare
un gas combustibile: il biogas.
I rifiuti vengono posti all’interno di una grande cisterna detta «digestore anaerobico» nella
quale l’aria è totalmente assente.
In queste condizioni essi vengono «attaccati» da batteri anaerobici i quali, un po’ come avevamo visto per la formazione degli idrocarburi, ricavano l’ossigeno per vivere decomponendo il materiale organico presente nel digestore.
Si genera così un gas che contiene il 50-70% di metano, il 35-40% di anidride carbonica e
percentuali più ridotte di altri gas.
I sottoprodotti di tale processo biochimico sono inoltre degli ottimi fertilizzanti.
Il biogas può essere ottenuto anche dalle discariche dei rifiuti urbani. Una discarica completamente isolata mediante impermeabilizzazione naturale o con teli sintetici diviene un
«contenitore di accumulo» del biogas che si produce in seguito al processo di decomposizione della sostanza organica contenuta nei rifiuti. I principali composti prodotti sono metano ed anidride carbonica.
stalla
autotrazione
gasometro
piante acquatiche
digestore
mangimi
piscicoltura
combustione
diretta
serre
energia
elettrica
fertirrigazione
15.2 L’etanolo
L'etanolo è al giorno d'oggi il biocombustibile più ampiamente utilizzato. Si tratta di un alcool che viene ottenuto per la maggior parte usando un processo simile alla fermentazione
della birra.
Può essere usato allo stato puro o come miscela con la benzina. Viene utilizzato principalmente come additivo del combustibile per ridurre l'ossido di carbonio e le altre emissioni
dei veicoli che causano lo smog.
15.3 Il metanolo
Il metanolo è anch'esso un alcool che può essere usato come combustibile nei trasporti. Comunemente denominato «alcool di legno» (wood alcohol), attualmente è prodotto usando
il gas naturale, ma potrebbe anche essere prodotto dalle biomasse con un processo termochimico.
15.4 Il biodiesel
Il biodiesel è un sostituto rinnovabile del combustibile diesel che può essere ricavato chimicamente combinando olio o grasso naturale con un alcool (solitamente metanolo). Molti oli vegetali, grassi animali e grassi di cucina riciclati possono essere trasformati in biodiesel, e ci sono molti modi differenti per realizzarlo. Il biodiesel può essere usato in forma pura
come combustibile alternativo rinnovabile per i motori diesel o come additivo per ridurre
le emissioni del veicolo (in genere 20%), ed è questo il suo uso più tipico.
Capitolo 2
Le risorse energetiche
Fig. 15 -Utilizzo dei rifiuti degli animali per la produzione di energia
269
Capitolo
3
Lo sfruttamento delle
risorse energetiche
Parte I: Fondamenti delle discipline di insegnamento
Libro IX: Energia e applicazioni
1. Dalle fonti energetiche all’energia elettrica
270
Nel capitolo precedente abbiamo fatto un’ampia descrizione delle fonti energetiche, e abbiamo visto che possono essere primarie, secondarie, esauribili o rinnovabili ma non abbiamo
ancora parlato di come queste fonti vengono utilizzate per produrre energia: attualmente l’importanza delle fonti energetiche è da ricercare nel fatto che l’energia da esse prodotta
può essere trasformata in qualcosa per noi estremamente preziosa: l’energia elettrica. Nei
paragrafi che seguiranno vedremo proprio come viene utilizzata l’energia prodotta dall’acqua, dal vento, dal carbone, dalla fissione nucleare ecc. per produrre energia elettrica.
2. Come si ottiene l’energia elettrica
È sufficiente che in casa vada via la luce per pochi minuti per farci rendere conto di quanto
sia importante l’elettricità nella vita di tutti i giorni, e di come ormai per l’uomo moderno
sia impossibile vivere senza.
Proprio perché l’energia elettrica è un bene così prezioso, dall’invenzione della dinamo in
poi l’uomo ha studiato tutte le possibilità per ricavarla dalle fonti energetiche che aveva a
disposizione. Ciò non vuol dire che le fonti energetiche vengano utilizzate esclusivamente
per produrre energia elettrica, ma sta di fatto che il loro livello di «importanza» dipende dalla quantità di energia elettrica che da esse si può ottenere.
Per poter produrre energia elettrica dobbiamo avere a disposizione una turbina collegata
ad un alternatore. Le turbine sono delle macchine che, quando vengono messe in rotazione, trasferiscono la loro energia di movimento all’alternatore. L’alternatore, a sua volta, trasforma l’energia meccanica di rotazione in energia elettrica. Infatti possiamo immaginare
un alternatore come una spira che ruota in un campo magnetico: mentre la spira ruota si
genera al suo interno una corrente elettrica: in questo modo l’energia meccanica dell’alternatore viene trasformata in energia elettrica.
Ma non basta avere una turbina collegata a un alternatore per generare energia elettrica:
bisogna anche trovare il modo di far ruotare questo sistema. Attualmente per far ruotare le
turbine si utilizza l’energia idraulica o il vapore.
Le turbine idrauliche sono molto simili alle ruote idrauliche e vengono utilizzate nelle centrali idroelettriche.
Le turbine a vapore sono invece costituite da grandi ruote metalliche sulla cui superficie
sono fissate numerose palette che hanno il compito di trasmettere l’energia di movimento
del vapore a un altro macchinario. Sono utilizzate per mettere in rotazione gli alternatori
delle centrali termoelettriche e nucleari.
L’energia elettrica può anche essere generata sfruttando l’energia solare ma, in questo caso,
oltre alle turbine si può utilizzare l’effetto fotovoltaico di alcuni materiali semiconduttori i
quali, quando sono colpiti dai raggi solari, producono direttamente corrente elettrica.
In tabella sono elencati i diversi tipi di centrale in cui avviene la produzione di energia elettrica.
Fonte energetica
Dispositivi sfruttati
Centrale termoelettrica
Carboni fossili e/o derivati del petrolio Turbina a vapore + alternatore
Centrale geotermica
Calore terrestre
Centrale a turbogas
Centrale nucleare
Centrale idroelettrica
Centrale solare a specchi
Centrale fotovoltaica
Centrale eolica
Centrale mareomotrice
Metano
Turbina a vapore + alternatore
Acqua
Turbina idraulica + alternatore
Risorse radioattive
Sole
Turbina a vapore + alternatore
Turbina a vapore + alternatore
Turbina a vapore + alternatore
Sole
Pannelli fotovoltaici
Vento
Turbina eolica + alternatore
Acqua
3. Come si trasporta l’energia elettrica
Turbina idraulica + alternatore
Abbiamo detto in precedenza che per comprendere il funzionamento di un alternatore possiamo paragonarlo a una spira che ruota in un campo magnetico. Durante la rotazione nella spira si genera corrente.
Per capire come viene «trasportata» la corrente elettrica posh1
siamo fare un’analogia con un fiume: la corrente di un fiume,
per potersi spostare, deve passare da un punto ad altezza maggiore (e quindi con un’energia potenziale maggiore) a un punEp1
to ad altezza minore (e cioè con un’energia potenziale minore,
I
vedi Figura 1).
Analogamente, la corrente
I
V1
V2
elettrica per poter fluire
all’interno di un conduttore deve passare da un punFig. 2 - La corrente I passa dal punto a po- to a potenziale maggiore
tenziale V1 al punto a potenziale V2 verso uno a potenziale mih2
nore (Figura 2).
Ep2
In entrambi i casi per avere un passaggio di corrente tra due
punti, tra di essi ci deve essere una certa differenza di potenziale che, in termini elettrici, si chiama tensione.
Fig. 1 - La corrente I passa dal punQuindi mentre l’alternatore ruota nel campo magnetico si verifica che:
to h1, ad energia potenziale maggiore, al punto h2, ad
energia potenziale minore
• al suo interno scorre della corrente I;
• fra i suoi estremi si genera una tensione V.
Il prodotto fra la tensione V e la corrente I definisce la potenza (P) della centrale:
P=VxI
La tensione che si genera ai capi di un alternatore è di circa 15.000 Volt.
Mediante un trasformatore elevatore, cioè un dispositivo che fa aumentare il livello di tensione, essa viene elevata fino a 380.000 Volt e dal trasformatore viene portata tramite cavi
elettrici ed elettrodotti al punto di partenza della centrale.
Dalla centrale partono le linee di trasporto (gli elettrodotti) che giungono alle stazioni di
smistamento delle città dopo aver percorso anche centinaia di chilometri (Figura 3).
Capitolo 3
Lo sfruttamento delle risorse energetiche
Tipo di centrale
271
trasformatori che
abbassano la tensione
stazione di
smistamento
cabina
cittadina
tralicci
dell’alta
tensione
Parte I: Fondamenti delle discipline di insegnamento
Libro IX: Energia e applicazioni
cavi sotterranei
272
Fig. 3 - Produzione, trasformazione e trasporto
dell’energia elettrica
Gli elettrodotti sono costituiti da grandi tralicci che hanno il compito di sostenere i cavi in
cui scorre la corrente e di mantenerli a una distanza di circa 10 m da terra. I cavi sono sorretti da particolari piatti di vetro o di porcellana (detti isolatori) che hanno la funzione di
isolare elettricamente i cavi dalla struttura metallica del traliccio.
Dalle sezioni di smistamento la tensione elettrica viene abbassata mediante dei trasformatori riduttori (dispositivi che servono a ridurre la tensione) fino a 15.000 Volt e poi trasportata tramite altri elettrodotti alle cabine di distribuzione dove la tensione viene ulteriormente ridotta fino ad arrivare a 380 e 220 Volt per essere utilizzata rispettivamente nelle
fabbriche e nelle case.
4. Le centrali termoelettriche
Una centrale termoelettrica utilizza il vapore derivato dalla combustione del carbone e di
alcuni derivati del petrolio per produrre energia elettrica.
vapore
turbina
alternatore
trasformatore
bruciatore
camino
Fig. 4 - Centrale termoelettrica
caldaia
pompa
condensatore
Essa è costituita da una caldaia con un bruciatore, da una turbina a vapore e da un alternatore:
1) il combustibile viene fatto bruciare nel bruciatore;
2) il calore ottenuto viene trasferito all’acqua contenuta nella caldaia;
3)l’acqua della caldaia, surriscaldandosi per l’elevata temperatura, si trasforma in vapore acqueo;
4)questo vapore mette in funzione la turbina producendo energia meccanica;
5)l’energia meccanica viene trasformata dall’alternatore in energia elettrica;
6)il vapore, dopo essere stato utilizzato, viene inviato a un condensatore che lo ritrasforma in acqua che, attraverso una pompa, viene nuovamente immessa nella caldaia per essere riutilizzata.
5. Le centrali a turbogas
1)l’aria dell’atmosfera viene aspirata nel compressore e compressa per essere inviata alla
camera di combustione;
2)in questa camera viene fatto bruciare del combustibile fossile, e dalla combustione si genera una miscela di gas che aziona le pale di una turbina;
3)l’energia meccanica della turbina viene trasformata in energia elettrica dall’alternatore.
camera di combustione
camino
bruciatore
presa d’aria
compressore
trasformatore
turbina
alternatore
Fig. 5 - Centrale a turbogas
6. Le centrali nucleari
Una centrale nucleare sfrutta l’energia termica della fissione degli atomi per produrre vapore con il quale azionare la turbina a vapore.
Una centrale nucleare è formata da:
• un reattore in cui avviene la fissione;
Capitolo 3
Lo sfruttamento delle risorse energetiche
Le centrali a turbogas sono costituite da un compressore, una camera di combustione,
una turbina, un alternatore:
273
•
•
•
•
uno scambiatore di calore;
una turbina a vapore;
un alternatore;
un condensatore.
Parte I: Fondamenti delle discipline di insegnamento
Libro IX: Energia e applicazioni
fluido refrigerante
274
turbina a vapore
barre di
controllo
grafite
Fig. 6 - Centrale nucleare
elementi di
combustibile
scambiatore di calore
alternatore
condensatore
La fissione, cioè la rottura degli atomi del combustibile (in genere uranio-235) è generata
da neutroni che colpiscono il nucleo. Ogni rottura del nucleo produce calore e altri neutroni, i quali a loro volta colpiscono altri nuclei innescando una «reazione a catena».
Affinché questa reazione a catena prosegua senza intoppi sono necessarie alcune condizioni:
•occorre che un’enorme quantità di nuclei si fissino contemporaneamente;
•occorre innescare la reazione a catena che deve mantenere la combustione per produrre energia con continuità;
•occorre poter controllare la reazione nucleare.
Perché ciò avvenga, la struttura di un reattore nucleare, nel quale avviene la reazione nucleare, deve avere:
•un fornello, detto nocciolo, in cui sviluppare la reazione a catena;
•un liquido moderatore che rallenti i neutroni emessi durante la reazione. Infatti se i neutroni sono troppo veloci la probabilità che colpiscano i nuclei atomici provocandone la
fissione sarebbe troppo bassa (ciò fu scoperto da Fermi nel 1934);
•un sistema di controllo della reazione, costituito da un insieme di «barre di controllo» di
cadmio o boro, le quali servono ad assorbire i neutroni rallentando o facendo spegnere
la reazione;
•un efficientissimo sistema di estrazione di calore dal nocciolo e di raffreddamento. Il processo di fissione richiede costantemente un flusso refrigerante per controllare il calore
emesso dalla reazione e consente di trasformare il calore in vapore acqueo che servirà
a far muovere la turbina meccanica per produrre energia elettrica;
•una schermatura per assorbire le radiazioni prodotte dal processo di fissione.
recipiente di pressione
uscita del refrigerante
acqua
ingresso del refrigerante
nocciolo del reattore
barre di combustibile
barre di
controllo
meccanismi di comando
delle barre di controllo
Fig. 7 - Il nocciolo di un reattore nucleare
L'interno del nocciolo è mostrato in Figura 7.
Come si può vedere dall’immagine, nel nocciolo si trovano centinaia di barre di combustibile (uranio arricchito) alternate con barre moderatrici (berillio o grafite, ma spesso il moderatore è l’acqua) e di controllo le quali possono scorrere verticalmente per assorbire più
o meno neutroni controllando così la reazione.
In questo nocciolo avviene la reazione nucleare a catena controllata.
Vediamo ora come il nocciolo del reattore è collegato al resto della centrale (Figura 8).
Capitolo 3
Lo sfruttamento delle risorse energetiche
tubi guida per la
strumentazione
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